專利名稱：室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線電能傳輸、移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著傳感器、智能控制以及能源等方面技術(shù)日新月異的發(fā)展，越來(lái)越多的服務(wù)機(jī)器人走向千家萬(wàn)戶。同時(shí)，人們希望服務(wù)機(jī)器人能延長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期自主工作，故而補(bǔ)充機(jī)器人動(dòng)力能源成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。目前室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人都是使用可充電電池來(lái)給自身供電，但是一般只能維持幾個(gè)小時(shí)，一旦電量耗盡，必須采用人工干預(yù)的方式來(lái)給機(jī)器人充電。如果采用人工充電，那么機(jī)器人就處于一種非自主的狀態(tài)，這阻礙了機(jī)器人的智能化。如何讓機(jī)器人在無(wú)人工干預(yù)環(huán)境下安全、可靠、快速、高效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)充電技術(shù)大多是采用接觸式充電方式，通常借助激光測(cè)距儀、視覺(jué)傳感器或紅外探測(cè)器與充電設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，但存在以下問(wèn)題:首先，機(jī)器人從當(dāng)前位置移動(dòng)到充電座需要導(dǎo)航行為，受到定位誤差的限制，導(dǎo)航精度較低。其次，機(jī)器人與充電座觸點(diǎn)的對(duì)接需要較高的精確性，這增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和控制的難度，同時(shí)對(duì)接操作過(guò)程非常復(fù)雜，消耗時(shí)間較長(zhǎng)。再者，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面原因，機(jī)器人和充電座觸點(diǎn)之間一旦連接便無(wú)法自動(dòng)脫離，頻繁對(duì)接也容易對(duì)系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)影響，比如多次插拔對(duì)接操作會(huì)引起機(jī)械磨損，導(dǎo)致接觸松動(dòng)，不能有效傳輸電能；如果連接部件出現(xiàn)污物，將會(huì)導(dǎo)致接觸不良或者電連接失敗；若在潮濕或存在導(dǎo)電介質(zhì)的環(huán)境，也極容易引起電路短路?？梢?jiàn)，要使機(jī)器人同時(shí)滿足高導(dǎo)航精度，高速定位，高可靠性對(duì)接的充電要求是十分困難的。因此，急需要提出一種通過(guò)非接觸方式就能夠?qū)σ苿?dòng)機(jī)器人進(jìn)行無(wú)線充電的方法。根據(jù)能量傳輸原理，目前在國(guó)內(nèi)外研究的非接觸無(wú)線電能傳輸技術(shù)主要分為三類:基于感應(yīng)耦合方式的近距離無(wú)線電能傳輸、基于磁耦合諧振方式的中等距離無(wú)線電能傳輸和基于微波方式的長(zhǎng)距離無(wú)線電能傳輸。感應(yīng)稱合是一種貼近型的無(wú)線電能傳輸方式，傳輸距離一般只有幾十mm，且需要磁耦合裝置原、副邊之間精確對(duì)正，一旦機(jī)器人偏離固定充電區(qū)域，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效感應(yīng)充電。由于激光微波對(duì)傳輸介質(zhì)里面的生物體會(huì)產(chǎn)生影響，對(duì)人體有一定危害，且近距離傳輸效率低，所以不適合室內(nèi)家用服務(wù)機(jī)器人的電能傳輸。磁耦合諧振能量傳輸技術(shù)利用兩個(gè)具有相同諧振頻率的線圈，在相距一定的距離時(shí)，由于磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生諧振，從而進(jìn)行能量傳遞。一般來(lái)說(shuō)，兩個(gè)有一定距離的線圈相互之間是弱耦合，但若兩者具有相同的諧振頻率，則會(huì)產(chǎn)生電磁諧振，構(gòu)成一個(gè)電磁諧振系統(tǒng)，如果某一端連接電源不斷為該諧振系統(tǒng)提供能量，而另一方消耗能量，則實(shí)現(xiàn)了電能的傳輸，其傳輸功率可達(dá)到幾百瓦以上至幾千瓦。之所以稱其為“磁耦合諧振”，是因?yàn)榭臻g進(jìn)行能量傳遞的媒介是交變磁場(chǎng)。該技術(shù)與感應(yīng)耦合傳輸方式相比，其能量傳輸距離更遠(yuǎn)理論上可以達(dá)到幾十厘米以上至幾米，實(shí)際上該技術(shù)能量傳輸距離小于等于5cm與微波式能量傳輸相t匕，其傳輸效率更高，對(duì)生物的影響更小，而且不受環(huán)境中一般障礙物的影響。因此，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人真正意義上的非接觸無(wú)線充電，需要采用磁耦合諧振的能量傳輸方式，要實(shí)現(xiàn)自主性，機(jī)器人必須能在所處的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主尋源，自動(dòng)充電，才能執(zhí)行連續(xù)任務(wù)實(shí)現(xiàn)真正的智能化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有機(jī)器人無(wú)法進(jìn)行智能無(wú)線充電的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置及方法。室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，它包括電能發(fā)射器、DSP主控單元和電能接收器；所述DSP主控單元和電能接收器固定在待充電的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人上；所述的電能接收器由電池管理系統(tǒng)、整流穩(wěn)壓電路和諧振接收電路組成，所述的電能發(fā)射器由無(wú)線射頻收發(fā)器、控制器、語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路、音頻功率放大電路、揚(yáng)聲裝置、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路、諧振發(fā)射電路和中繼單元組成；所述的語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路、音頻功率放大電路和揚(yáng)聲裝置組成語(yǔ)音播放單元；所述的無(wú)線射頻收發(fā)器和控制器組成磁場(chǎng)諧振激發(fā)器；所述的無(wú)線射頻收發(fā)器的指令信號(hào)的輸出端與控制器的指令信號(hào)的輸入端連接，所述的控制器的控制信號(hào)輸出端與語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路的控制信號(hào)輸入端連接，所述的語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路的語(yǔ)音信號(hào)輸出端與音頻功率放大電路的語(yǔ)音信號(hào)輸入端連接，所述的音頻功率放大電路的信號(hào)輸出端與揚(yáng)聲裝置的信號(hào)輸入端連接，所述的控制器的諧振發(fā)射控制信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)輸入端連接，所述的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與逆變電路的信號(hào)輸入端連接，所述的逆變電路的信號(hào)輸出端與諧振發(fā)射電路的信號(hào)輸入端連接，所述的諧振發(fā)射電路產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，中繼單元位于該交變磁場(chǎng)中，諧振接收電路的諧振頻率與中繼單元的諧振頻率相同進(jìn)而產(chǎn)生共振，所述諧振接收電路中產(chǎn)生諧振電流，所述諧振接收電路的諧振電流信號(hào)輸出端與整流穩(wěn)壓電路的信號(hào)輸入端連接，所述的整流穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓信號(hào)輸出端與電池管理系統(tǒng)的電能信號(hào)輸入端連接，DSP主控單元的信號(hào)輸入端與電池管理系統(tǒng)的信號(hào)輸出端連接，DSP主控單元通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線射頻收發(fā)器連接。其中，諧振接收電路用于接收中繼線圈傳輸過(guò)來(lái)的磁場(chǎng)能量，諧振接收電路的諧振接收頻率與中繼單元的諧振發(fā)射頻率相同產(chǎn)生共振，振蕩過(guò)程中產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)形成諧振電流，再經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定電壓，調(diào)理成可為機(jī)器人搭載電池充電的電能；電池管理系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)測(cè)電池的電壓狀態(tài)，檢測(cè)機(jī)器人何時(shí)需要充電，何時(shí)電已充滿，控制電池充電時(shí)間。所述的驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率與控制器輸出信號(hào)的諧振頻率相同。所述的控制器的諧振發(fā)射控制信號(hào)輸出端輸出的信號(hào)為PWM方式的信號(hào)。所述諧振接收電路的諧振頻率大于IOKHz且小于IMHz。無(wú)線射頻收發(fā)器用于收到無(wú)線通信單元發(fā)出的充電指令后，經(jīng)由控制器控制，可播放事先錄制好的語(yǔ)音指令呼叫機(jī)器人充電，機(jī)器人根據(jù)該語(yǔ)音指令進(jìn)行自主尋源充電；所述的逆變電路采用單管驅(qū)動(dòng)芯片和DRC吸收回路實(shí)現(xiàn)。所述的諧振發(fā)射電路由諧振發(fā)射線圈和諧振發(fā)射電容矩陣并聯(lián)或串聯(lián)組成；
所述諧振發(fā)射線圈的匝數(shù)為4，所述諧振發(fā)射線圈的外徑是50cm，所述諧振發(fā)射線圈由直徑2.1mm的銅線纏繞構(gòu)成；諧振發(fā)射電容矩陣由3個(gè)電容并聯(lián)構(gòu)成。諧振發(fā)射線圈與諧振發(fā)射電容矩陣構(gòu)成LC諧振電路，能量分別在諧振發(fā)射線圈與諧振發(fā)射電容矩陣之間以磁場(chǎng)和電場(chǎng)的形式交換，在諧振發(fā)射線圈中產(chǎn)生與設(shè)定的諧振發(fā)射頻率相同的諧振電流，諧振電流在諧振發(fā)射線圈周?chē)纬山蛔兇艌?chǎng)。所述的中繼單元2-9由中繼線圈和中繼電容矩陣串聯(lián)組成，中繼線圈與諧振發(fā)射線圈在同一平面，并且所述中繼線圈與諧振發(fā)射線圈同心設(shè)置；所述中繼線圈由直徑
2.1mm的銅線纏繞構(gòu)成，所述中繼線圈的外徑為22cm，所述中繼線圈的匝數(shù)為I ;中繼電容矩陣由7個(gè)電容并聯(lián)組成。中繼線圈接收諧振發(fā)射線圈所發(fā)射出的交變磁場(chǎng)，形成諧振電流，用于調(diào)整電能發(fā)射器的波形并增大接收到的諧振電流，繼而增加能量傳輸?shù)木嚯x，調(diào)整后的諧振電流再通過(guò)中繼線圈向電能接收器發(fā)射調(diào)整后的交變磁場(chǎng)，并使電能發(fā)射器與電能接收器產(chǎn)生共振。諧振接收電路由諧振接收線圈和諧振接收電容矩陣并聯(lián)或串聯(lián)組成。本實(shí)施方式中，諧振接收線圈是由直徑為Imm的銅線纏繞構(gòu)成，所述諧振接收線圈的匝數(shù)為4，所述諧振接收線圈的外徑12cm，所述的諧振接收線圈的電能傳輸距離大于O小于等于20cm ;諧振接收電容矩陣是由4個(gè)電容并聯(lián)組成。所述的DSP主控單元由DSP信號(hào)處理與控制器、音頻信號(hào)采集單元、無(wú)線通信單元、航向測(cè)量單元、避障單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元組成；所述的DSP信號(hào)處理與控制器采用芯片TMS320F28335實(shí)現(xiàn)，所述的芯片TMS320F28335的內(nèi)設(shè)置有16路Α/D轉(zhuǎn)換通道，所述的芯片TMS320F28335的SCI端口與無(wú)線通信單元的通信信號(hào)的輸入輸出端連接，所述的芯片TMS320F28335的2路Α/D轉(zhuǎn)換通道與航向測(cè)量單元的2路數(shù)據(jù)信號(hào)輸出端連接，所述的芯片TMS320F28335的I2C端口與音頻信號(hào)采集單元的I2C端口連接，所述的芯片TMS320F28335的Mcbsp端口與音頻信號(hào)采集單元的數(shù)據(jù)信號(hào)的輸入輸出端口連接，所述的芯片TMS320F28335的CAP端口與避障單元的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入輸出端口連接，所述的芯片TMS320F28335的PWM端口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸入端連接，所述的芯片TMS320F28335的GPIO端口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元的方向控制信號(hào)輸入端連接；所述的芯片TMS320F28335的剩余Α/D轉(zhuǎn)換通道中任意一路通道作為DSP主控單元的信號(hào)輸入端與電池管理系統(tǒng)的信號(hào)輸出端連接。實(shí)施方式中，無(wú)線通信單元中的GSM短信模塊用于接收用戶發(fā)送的短信充電指令，并將充電指令無(wú)線傳遞給無(wú)線射頻收發(fā)器，開(kāi)啟充電程序；其中，音頻信號(hào)采集單元用于語(yǔ)音信號(hào)采集，再經(jīng)過(guò)編碼后發(fā)送給DSP信號(hào)處理與控制器進(jìn)行聲源定位；其中，航向測(cè)量單元通過(guò)兩個(gè)垂直的磁阻傳感器測(cè)量機(jī)器人的航向角；其中，DSP信號(hào)處理與控制器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用聲源定位算法判斷電能發(fā)射器方向，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、控制，指導(dǎo)其尋找電能發(fā)射器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電；其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元用于對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，通過(guò)DSP信號(hào)處理與控制器的端口 GPIO 口實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的直流減速電機(jī)方向的控制，并通過(guò)DSP信號(hào)處理與控制器的端口 PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人速度的控制；其中，避障單元采用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)器人與障礙物或目標(biāo)之間的距離。采用室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置實(shí)現(xiàn)充電方法，該方法如下:步驟一:DSP主控單元接收到短信之后，發(fā)送充電指令給無(wú)線射頻收發(fā)器，步驟二:無(wú)線射頻收發(fā)器將發(fā)聲指令發(fā)送給控制器，控制器控制揚(yáng)聲裝置發(fā)聲，步驟三:DSP主控單元接收聲源，獲得聲源的方向與聲源的距離，步驟四:DSP主控單元判斷距離是否滿足在O 25cm之間，是，室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人位于充電范圍內(nèi)，DSP主控單元發(fā)送開(kāi)始指令給無(wú)線射頻收發(fā)器，同時(shí)控制機(jī)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，并執(zhí)行步驟七；否，執(zhí)行步驟五；步驟五:DSP主控單元根據(jù)聲源的方向以及航向測(cè)量單元獲得的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的當(dāng)前航向，并控室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的方向和速度向聲源移動(dòng)，步驟六:避障單元判斷是否有障礙物，是，DSP主控單元控制室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人避障，避障之后，執(zhí)行步驟三；否，執(zhí)行步驟三；步驟七:無(wú)線射頻收發(fā)器將開(kāi)始指令發(fā)送給控制器，控制器控制諧振發(fā)射電路產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；步驟八:諧振接收電路接收磁場(chǎng)電能，開(kāi)始充電；步驟九:電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電池充電狀態(tài)，當(dāng)電池充滿時(shí)，DSP主控單元將停止充電指令發(fā)送給無(wú)線射頻收發(fā)器，步驟十:無(wú)線射頻收發(fā)器將控制指令發(fā)送給控制器，控制器控制諧振發(fā)射電路停止產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，充電結(jié)束。本發(fā)明帶來(lái)的有益效果是，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人自主尋源并進(jìn)行無(wú)線充電，傳輸效率達(dá)到40%到80%，傳輸功率為可達(dá)到100W。


圖1為具體實(shí)施方式
一所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為DSP主控單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為中繼單元和諧振發(fā)射電路的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖標(biāo)記2-8-1表示諧振發(fā)射線圈，附圖標(biāo)記2-8-2表示諧振發(fā)射電容矩陣，附圖標(biāo)記2-9-1表示中繼線圈，附圖標(biāo)記2-9-2表示中繼電容矩陣，附圖標(biāo)記4表示交變磁場(chǎng)。圖4為具體實(shí)施方式
九所述的采用具體實(shí)施方式
八所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置實(shí)現(xiàn)充電方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一:參見(jiàn)圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，它包括電能發(fā)射器、DSP主控單元和電能接收器；所述DSP主控單兀和電能接收器固定在待充電的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人上；所述的電能接收器由電池管理系統(tǒng)3-1、整流穩(wěn)壓電路3-2和諧振接收電路3-3組成，
所述的電能發(fā)射器由無(wú)線射頻收發(fā)器2-1、控制器2-2、語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路2-3、音頻功率放大電路2-4、揚(yáng)聲裝置2-5、驅(qū)動(dòng)電路2-6、逆變電路2-7、諧振發(fā)射電路2_8和中繼單元2-9組成；所述的語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路2-3、音頻功率放大電路2-4和揚(yáng)聲裝置2_5組成語(yǔ)音播放單元；所述的無(wú)線射頻收發(fā)器2-1和控制器2-2組成磁場(chǎng)諧振激發(fā)器；所述的無(wú)線射頻收發(fā)器2-1的指令信號(hào)的輸出端與控制器2-2的指令信號(hào)的輸入端連接，所述的控制器2-2的控制信號(hào)輸出端與語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路2-3的控制信號(hào)輸入端連接，所述的語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路2-3的語(yǔ)音信號(hào)輸出端與音頻功率放大電路2-4的語(yǔ)音信號(hào)輸入端連接，所述的音頻功率放大電路2-4的信號(hào)輸出端與揚(yáng)聲裝置2-5的信號(hào)輸入端連接，所述的控制器2-2的諧振發(fā)射控制信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)電路2-6的控制信號(hào)輸入端連接，所述的驅(qū)動(dòng)電路2-6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與逆變電路2-7的信號(hào)輸入端連接，所述的逆變電路2-7的信號(hào)輸出端與諧振發(fā)射電路2-8的信號(hào)輸入端連接，所述的諧振發(fā)射電路2-8產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，中繼單元2-9位于該交變磁場(chǎng)中，諧振接收電路3-3的諧振頻率與中繼單元
2-9的諧振頻率相同進(jìn)而產(chǎn)生共振，所述諧振接收電路3-3中產(chǎn)生諧振電流，所述諧振接收電路3-3的諧振電流信號(hào)輸出端與整流穩(wěn)壓電路3-2的信號(hào)輸入端連接，所述的整流穩(wěn)壓電路3-2的穩(wěn)壓信號(hào)輸出端與電池管理系統(tǒng)3-1的電能信號(hào)輸入端連接，DSP主控單元的信號(hào)輸入端與電池管理系統(tǒng)3-1的信號(hào)輸出端連接，DSP主控單元通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線射頻收發(fā)器2-1連接。 本實(shí)施方式中，無(wú)線射頻收發(fā)器2-1收到DSP主控單元發(fā)出的充電指令后，將充電指令發(fā)送給控制器2-2，控制器2-2根據(jù)充電指令控制語(yǔ)音播放單元播放事先錄制好的語(yǔ)音指令呼叫機(jī)器人充電，固定在待充電的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人上的DSP主控單元根據(jù)該語(yǔ)音指令進(jìn)行自主尋源并實(shí)現(xiàn)充電。其中，諧振接收電路3-3用于接收中繼線圈傳輸過(guò)來(lái)的磁場(chǎng)能量，諧振接收電路
3-3的諧振接收頻率與中繼單元2-9的諧振發(fā)射頻率相同產(chǎn)生共振，振蕩過(guò)程中產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)形成諧振電流，再經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓電路3-2，輸出穩(wěn)定電壓，調(diào)理成可為機(jī)器人搭載電池充電的電能；電池管理系統(tǒng)3-1用來(lái)監(jiān)測(cè)電池的電壓狀態(tài)，檢測(cè)機(jī)器人何時(shí)需要充電，何時(shí)電已充滿，控制電池充電時(shí)間。
具體實(shí)施方式
二:參見(jiàn)圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置的區(qū)別在于，所述的控制器2-2的諧振發(fā)射控制信號(hào)輸出端輸出的信號(hào)為PWM方式的信號(hào)。
具體實(shí)施方式
三:參見(jiàn)圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置的區(qū)別在于，所述諧振接收電路3-3的諧振頻率大于IOKHz且小于IMHz。
具體實(shí)施方式
四:參見(jiàn)圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，所述的逆變電路2-7采用單管驅(qū)動(dòng)芯片和DRC吸收回路實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施方式
五:參見(jiàn)圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置的區(qū)別在于，所述的諧振發(fā)射電路2-8由諧振發(fā)射線圈和諧振發(fā)射電容矩陣并聯(lián)或串聯(lián)組成；所述諧振發(fā)射線圈的匝數(shù)為4，所述諧振發(fā)射線圈的外徑是50cm，所述諧振發(fā)射線圈由直徑2.1mm的銅線纏繞構(gòu)成；諧振發(fā)射電容矩陣由3個(gè)電容并聯(lián)構(gòu)成。諧振發(fā)射線圈與諧振發(fā)射電容矩陣構(gòu)成LC諧振電路，能量分別在諧振發(fā)射線圈與諧振發(fā)射電容矩陣之間以磁場(chǎng)和電場(chǎng)的形式交換，在諧振發(fā)射線圈中產(chǎn)生與設(shè)定的諧振發(fā)射頻率相同的諧振電流，諧振電流在諧振發(fā)射線圈周?chē)纬山蛔兇艌?chǎng)。
具體實(shí)施方式
六:參見(jiàn)圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
五所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置的區(qū)別在于，所述的中繼單元2-9由中繼線圈和中繼電容矩陣串聯(lián)組成，中繼線圈與諧振發(fā)射線圈在同一平面，并且所述中繼線圈與諧振發(fā)射線圈同心設(shè)置；所述中繼線圈由直徑2.1mm的銅線纏繞構(gòu)成，所述中繼線圈的外徑為22cm，所述中繼線圈的匝數(shù)為I ;中繼電容矩陣由7個(gè)電容并聯(lián)組成。中繼線圈接收諧振發(fā)射線圈所發(fā)射出的交變磁場(chǎng)，形成諧振電流，用于調(diào)整電能發(fā)射器的波形并增大接收到的諧振電流，繼而增加能量傳輸?shù)木嚯x，調(diào)整后的諧振電流再通過(guò)中繼線圈向電能接收器發(fā)射調(diào)整后的交變磁場(chǎng)，并使電能發(fā)射器與電能接收器產(chǎn)生共振。
具體實(shí)施方式
七:參見(jiàn)圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置的區(qū)別在于，諧振接收電路3-3諧振接收線圈和諧振接收電容矩陣并聯(lián)或串聯(lián)組成；諧振接收線圈是由直徑為Imm的銅線纏繞構(gòu)成，所述諧振接收線圈的匝數(shù)為4，所述諧振接收線圈的外徑12cm，所述的諧振接收線圈的電能傳輸距離大于O小于等于20cm ;諧振接收電容矩陣是由4個(gè)電容并聯(lián)組成。
具體實(shí)施方式
八:參見(jiàn)圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置的區(qū)別在于，所述的DSP主控單元由DSP信號(hào)處理與控制器、音頻信號(hào)采集單元1-2、無(wú)線通信單元1-3、航向測(cè)量單元1-4、避障單元1-5和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元1-6組成；所述的DSP信號(hào)處理與控制器采用芯片TMS320F28335實(shí)現(xiàn)，所述的芯片TMS320F28335的內(nèi)設(shè)置有16路Α/D轉(zhuǎn)換通道，所述的芯片TMS320F28335的SCI端口與無(wú)線通信單元1_3的通信信號(hào)的輸入輸出端連接，所述的芯片TMS320F28335的2路Α/D轉(zhuǎn)換通道與航向測(cè)量單元1_4的2路數(shù)據(jù)信號(hào)輸出端連接，所述的芯片TMS320F28335的I2C端口與音頻信號(hào)采集單元1_2的I2C端口連接，所述的芯片TMS320F28335的Mcbsp端口與音頻信號(hào)采集單元1_2的數(shù)據(jù)信號(hào)的輸入輸出端口連接，所述的芯片TMS320F28335的CAP端口與避障單元1_5的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入輸出端口連接，所述的芯片TMS320F28335的PWM端口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元1_6的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸入端連接，所述的芯片TMS320F28335的GPIO端口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元1_6的方向控制信號(hào)輸入端連接；所述的芯片TMS320F28335的剩余Α/D轉(zhuǎn)換通道中任意一路通道作為DSP主控單元的信號(hào)輸入端與電池管理系統(tǒng)3-1的信號(hào)輸出端連接。實(shí)施方式中，無(wú)線通信單元1-3中的GSM短信模塊用于接收用戶發(fā)送的短信充電指令，并將充電指令無(wú)線傳遞給無(wú)線射頻收發(fā)器2-1，開(kāi)啟充電程序；
其中，音頻信號(hào)采集單元1-2用于語(yǔ)音信號(hào)采集，再經(jīng)過(guò)編碼后發(fā)送給DSP信號(hào)處理與控制器進(jìn)行聲源定位；其中，航向測(cè)量單元1-4通過(guò)兩個(gè)垂直的磁阻傳感器測(cè)量機(jī)器人的航向角；其中，DSP信號(hào)處理與控制器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用聲源定位算法判斷電能發(fā)射器方向，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、控制，指導(dǎo)其尋找電能發(fā)射器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電；其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元用于對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，通過(guò)DSP信號(hào)處理與控制器的端口 GPIO 口實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的直流減速電機(jī)方向的控制，并通過(guò)DSP信號(hào)處理與控制器的端口 PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人速度的控制；其中，避障單元1-5采用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)器人與障礙物或目標(biāo)之間的距離。
具體實(shí)施方式
九:參見(jiàn)圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，采用具體實(shí)施方式
八所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置實(shí)現(xiàn)充電方法，該方法如下:步驟一:DSP主控單元接收到短信消息或接收到電池管理系統(tǒng)3-1發(fā)送的電池電量不足信息之后，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送充電指令給無(wú)線射頻收發(fā)器2-1，步驟二:無(wú)線射頻收發(fā)器2-1將接收到的充電指令發(fā)送給控制器2-2，控制器2-2控制語(yǔ)音播放單元發(fā)出音頻信號(hào)，所述語(yǔ)音播放單元為聲源；步驟三:DSP主控單元檢測(cè)語(yǔ)音播放單元發(fā)出音頻信號(hào)，獲得聲源相對(duì)于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的方向與距離，步驟四；DSP主控單元判斷距離是否位于O 25cm之間，如果判斷結(jié)果為是，則室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人位于充電范圍內(nèi)，DSP主控單元發(fā)送開(kāi)始充電指令給無(wú)線射頻收發(fā)器2-1，同時(shí)控制機(jī)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，并執(zhí)行步驟七；否則，執(zhí)行步驟五；步驟五:DSP主控單元根據(jù)步驟三獲得的方向以及航向測(cè)量單元1-4獲得的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的當(dāng)前航向控制室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的方向和速度，使得該室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人向聲源所在位置移動(dòng)；步驟六:避障單元1-5判斷室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)前方是否有障礙物，如果判斷結(jié)果為是，則發(fā)送避障信息給DSP主控單元，DSP主控單元控制室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人避障，避障之后，執(zhí)行步驟三；如果判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟三；步驟七:無(wú)線射頻收發(fā)器2-1將開(kāi)始充電指令發(fā)送給控制器2-2，控制器2-2控制語(yǔ)音播放單元停止發(fā)出音頻信號(hào)，同時(shí)控制諧振發(fā)射電路2-8產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；步驟八:諧振接收電路3-3接收磁場(chǎng)電能，開(kāi)始充電，在充電過(guò)程中，電池管理系統(tǒng)3-1監(jiān)測(cè)電池充電狀態(tài)，當(dāng)電池充滿時(shí)，DSP主控單元將停止充電指令發(fā)送給無(wú)線射頻收發(fā)器2-1，步驟九:無(wú)線射頻收發(fā)器2-1將停止充電指令發(fā)送給控制器2-2，控制器2-2控制諧振發(fā)射電路2-8停止產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，充電結(jié)束。
權(quán)利要求
1.室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，其特征在于，它包括電能發(fā)射器、DSP主控單元和電能接收器；所述DSP主控單元和電能接收器固定在待充電的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人上； 所述的電能接收器由電池管理系統(tǒng)(3-1)、整流穩(wěn)壓電路(3-2)和諧振接收電路(3-3)組成， 所述的電能發(fā)射器由無(wú)線射頻收發(fā)器(2-1)、控制器(2-2)、語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路(2-3)、音頻功率放大電路(2-4 )、揚(yáng)聲裝置(2-5 )、驅(qū)動(dòng)電路(2-6 )、逆變電路(2-7 )、諧振發(fā)射電路(2-8)和中繼單元(2-9)組成； 所述的語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路(2-3 )、音頻功率放大電路(2-4 )和揚(yáng)聲裝置(2-5 )組成語(yǔ)音播放單元； 所述的無(wú)線射頻收發(fā)器(2-1)和控制器(2-2)組成磁場(chǎng)諧振激發(fā)器； 所述的無(wú)線射頻收發(fā)器(2-1)的指令信號(hào)的輸出端與控制器(2-2)的指令信號(hào)的輸入端連接，所述的控制器(2-2)的控制信號(hào)輸出端與語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路(2-3)的控制信號(hào)輸入端連接，所述的語(yǔ)音存儲(chǔ)播放電路(2-3)的語(yǔ)音信號(hào)輸出端與音頻功率放大電路(2-4)的語(yǔ)音信號(hào)輸入端連接，所述的音頻功率放大電路(2-4)的信號(hào)輸出端與揚(yáng)聲裝置(2-5)的信號(hào)輸入端連接， 所述的控制器(2-2)的諧振發(fā)射控制信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)電路(2-6)的控制信號(hào)輸入端連接，所述的驅(qū)動(dòng)電路(2-6)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與逆變電路(2-7)的信號(hào)輸入端連接，所述的逆變電路(2-7)的信號(hào)輸出端與諧振發(fā)射電路(2-8)的信號(hào)輸入端連接，所述的諧振發(fā)射電路(2-8)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，中繼單元(2-9)位于該交變磁場(chǎng)中，諧振接收電路(3-3)的諧振頻率與中繼單元(2-9)的諧振頻率相同進(jìn)而產(chǎn)生共振，所述諧振接收電路(3-3)中產(chǎn)生諧振電流，所述諧振接收電路(3-3)的諧振電流信號(hào)輸出端與整流穩(wěn)壓電路(3-2)的信號(hào)輸入端連接，所述的整流穩(wěn)壓電路(3-2)的穩(wěn)壓信號(hào)輸出端與電池管理系統(tǒng)(3-1)的電能信號(hào)輸入端連接， DSP主控單元的信號(hào)輸入端與電池管理系統(tǒng)(3-1)的信號(hào)輸出端連接，DSP主控單元通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線射頻收發(fā)器(2-1)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，其特征在于，所述的控制器(2-2)的諧振發(fā)射控制信號(hào)輸出端輸出的信號(hào)為PWM方式的信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，其特征在于，所述諧振接收電路(3-3)的諧振頻率大于IOKHz且小于IMHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，其特征在于，所述的逆變電路(2-7)采用單管驅(qū)動(dòng)芯片和DRC吸收回路實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，其特征在于，所述的諧振發(fā)射電路(2-8)由諧振發(fā)射線圈和諧振發(fā)射電容矩陣并聯(lián)或串聯(lián)組成；所述諧振發(fā)射線圈的匝數(shù)為4，所述諧振發(fā)射線圈的外徑是50cm，所述諧振發(fā)射線圈由直徑2.1mm的銅線纏繞構(gòu)成；諧振發(fā)射電容矩陣由3個(gè)電容并聯(lián)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，其特征在于，所述的中繼單元(2-9)由中繼線圈和中繼電容矩陣串聯(lián)組成，中繼線圈與諧振發(fā)射線圈在同一平面，并且所述中繼線圈與諧振發(fā)射線圈同心設(shè)置； 所述中繼線圈由直徑2.1mm的銅線纏繞構(gòu)成，所述中繼線圈的外徑為22cm，所述中繼線圈的匝數(shù)為I ;中繼電容矩陣由7個(gè)電容并聯(lián)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，其特征在于，諧振接收電路(3-3)由諧振接收線圈和諧振接收電容矩陣并聯(lián)或串聯(lián)組成；諧振接收線圈是由直徑為Imm的銅線纏繞構(gòu)成，所述諧振接收線圈的匝數(shù)為4，所述諧振接收線圈的外徑12cm，所述的諧振接收線圈的電能傳輸距離大于O小于等于20cm;諧振接收電容矩陣是由4個(gè)電容并聯(lián)組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置，其特征在于，所述的DSP主控單元由DSP信號(hào)處理與控制器、音頻信號(hào)采集單元(1-2)、無(wú)線通信單元(1-3)、航向測(cè)量單元(1-4)、避障單元(1-5)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元(1-6)組成；所述的DSP信號(hào)處理與控制器采用芯片TMS320F28335實(shí)現(xiàn)，所述的芯片TMS320F28335的內(nèi)設(shè)置有16路Α/D轉(zhuǎn)換通道， 所述的芯片TMS320F28335的SCI端口與無(wú)線通信單元(1_3)的通信信號(hào)的輸入輸出端連接，所述的芯片TMS320F28335的2路Α/D轉(zhuǎn)換通道與航向測(cè)量單元(1_4)的2路數(shù)據(jù)信號(hào)輸出端連 接，所述的芯片TMS320F28335的I2C端口與音頻信號(hào)采集單元(1_2)的I2C端口連接，所述的芯片TMS320F28335的Mcbsp端口與音頻信號(hào)采集單元(1_2)的數(shù)據(jù)信號(hào)的輸入輸出端口連接，所述的芯片TMS320F28335的CAP端口與避障單元(1_5)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入輸出端口連接，所述的芯片TMS320F28335的PWM端口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元(1_6)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸入端連接，所述的芯片TMS320F28335的GPIO端口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元(1-6)的方向控制信號(hào)輸入端連接； 所述的芯片TMS320F28335的剩余Α/D轉(zhuǎn)換通道中任意一路通道作為DSP主控單元的信號(hào)輸入端與電池管理系統(tǒng)(3-1)的信號(hào)輸出端連接。
9.采用權(quán)利要求8所述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置實(shí)現(xiàn)充電方法，其特征在于，該方法如下: 步驟一:DSP主控單元接收到短信消息或接收到電池管理系統(tǒng)(3-1)發(fā)送的電池電量不足信息之后，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送充電指令給無(wú)線射頻收發(fā)器(2-1)， 步驟二:無(wú)線射頻收發(fā)器(2-1)將接收到的充電指令發(fā)送給控制器(2-2)，控制器(2-2)控制語(yǔ)音播放單元發(fā)出音頻信號(hào)，所述語(yǔ)音播放單元為聲源； 步驟三:DSP主控單元檢測(cè)語(yǔ)音播放單元發(fā)出音頻信號(hào)，獲得聲源相對(duì)于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的方向與距離， 步驟四；DSP主控單元判斷距離是否位于O 25cm之間，如果判斷結(jié)果為是，則室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人位于充電范圍內(nèi)，DSP主控單元發(fā)送開(kāi)始充電指令給無(wú)線射頻收發(fā)器(2-1)，同時(shí)控制機(jī)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，并執(zhí)行步驟七；否則，執(zhí)行步驟五； 步驟五:DSP主控單元根據(jù)步驟三獲得的方向、以及航向測(cè)量單元(1-4)獲得的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的當(dāng)前航向控制室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的方向和速度，使得該室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人向聲源所在位置移動(dòng)； 步驟六:避障單元(1-5)判斷室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)前方是否有障礙物，如果判斷結(jié)果為是，則發(fā)送避障信息給DSP主控單元，DSP主控單元控制室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人避障，避障之后，執(zhí)行步驟三；如果判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟三；步驟七:無(wú)線射頻收發(fā)器(2-1)將開(kāi)始充電指令發(fā)送給控制器(2-2)，控制器(2-2)控制語(yǔ)音播放單元停止發(fā)出音頻信號(hào)，同時(shí)控制諧振發(fā)射電路(2-8)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)； 步驟八:諧振接收電路(3-3)接收磁場(chǎng)電能，開(kāi)始充電，在充電過(guò)程中，電池管理系統(tǒng)(3-1)監(jiān)測(cè)電池充電狀態(tài)，當(dāng)電池充滿時(shí)，DSP主控單元將停止充電指令發(fā)送給無(wú)線射頻收發(fā)器(2-1)， 步驟 九:無(wú)線射頻收發(fā)器(2-1)將停止充電指令發(fā)送給控制器(2-2 )，控制器(2-2 )控制諧振發(fā)射電路(2-8 )停止產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，充電結(jié)束。
全文摘要
室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置及方法，涉及無(wú)線電能傳輸、移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人非接觸自主無(wú)線充電裝置及方法；目的是為了解決現(xiàn)有機(jī)器人無(wú)法進(jìn)行智能無(wú)線充電的問(wèn)題，采用基于磁耦合諧振原理的無(wú)線電能傳輸技術(shù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行非接觸無(wú)線充電，無(wú)線射頻收發(fā)器收到DSP主控單元發(fā)出的充電指令后，將充電指令發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)充電指令控制語(yǔ)音播放單元播放事先錄制好的語(yǔ)音指令呼叫機(jī)器人充電，固定在待充電的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人上的DSP主控單元根據(jù)該語(yǔ)音指令進(jìn)行自主尋源并實(shí)現(xiàn)充電；本發(fā)明適用于各種家庭服務(wù)機(jī)器人及醫(yī)療陪護(hù)機(jī)器人。
文檔編號(hào)H02J7/02GK103151825SQ20131012114
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者宋凱, 朱春波, 李陽(yáng), 李曉宇, 趙鑫 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)